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        民用飛機(jī)鍍鋅鎳工藝研究

        2022-12-09 01:08:36楊志業(yè)胡遐林王進(jìn)軍耿莽河
        材料保護(hù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:氫脆民用飛機(jī)滲透性

        楊志業(yè),胡遐林,王進(jìn)軍,耿莽河,李 陽(yáng)

        (1. 沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110850;2. 武漢材料保護(hù)研究所有限公司,湖北 武漢 430030)

        0 前 言

        因鎘鍍層在海洋條件下對(duì)鋼制零件有較好的防護(hù)性能,現(xiàn)階段具有耐蝕性能要求的航空用鋼制零件多采用鍍鎘、低氫脆鍍鎘、氯化銨鍍鎘、鍍鎘鈦等工藝進(jìn)行防護(hù)。但鎘對(duì)環(huán)境危害極大,鍍鎘工藝在民用領(lǐng)域已逐步被淘汰。

        鋅鎳合金鍍層的耐蝕性比鍍鋅層高,電位與鎘鍍層接近,具有良好的性價(jià)比、低污染性和低氫脆性,可替代鍍鎘、無(wú)氰鍍鎘鈦工藝用于軍用航空用30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A等材料的表面防護(hù)[1-3],但目前針對(duì)民用飛機(jī)鍍鋅鎳工藝應(yīng)用情況的研究尚較少。

        為此,本工作結(jié)合民用飛機(jī)制造領(lǐng)域知名制造商及美國(guó)宇航材料規(guī)范等對(duì)鍍鋅鎳工藝的質(zhì)量要求及對(duì)高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層氫可滲透性的要求,對(duì)NZ - 70堿性鍍鋅鎳工藝性能進(jìn)行了研究。

        1 民用飛機(jī)鍍鋅鎳質(zhì)量要求分析

        為明確民用飛機(jī)領(lǐng)域?qū)﹀冧\鎳工藝質(zhì)量要求,對(duì)主要民用飛機(jī)生產(chǎn)商廠及行業(yè)規(guī)范中質(zhì)量要求的差異進(jìn)行了分析,詳見(jiàn)表1。

        表1 鍍鋅鎳質(zhì)量要求

        2 民用飛機(jī)高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層氫可滲透性要求

        目前民用飛機(jī)高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層主要為低氫脆鍍鎘層(也稱松孔鍍鎘)及氰化鍍鎘鈦層,常用氫脆性能測(cè)試的方法為缺口試棒拉伸試驗(yàn)和測(cè)氫儀法,一般采用測(cè)氫儀法作為生產(chǎn)工藝控制試驗(yàn),采用缺口試棒拉伸試驗(yàn)作為鑒定性試驗(yàn)。測(cè)氫儀是一種定量地測(cè)量電鍍時(shí)氫的吸收量和鍍層的氫滲透性的儀器,能更為方便地比較不同電鍍工藝的氫脆性能。在測(cè)氫儀試驗(yàn)中λ表示鍍層的氫可滲透性,λ值越小,表示鍍層氫脆危險(xiǎn)越小。

        表2 高強(qiáng)度鋼防護(hù)性鍍層氫可滲透性要求

        3 試 驗(yàn)

        3.1 基材前處理

        (1)合金鋼:溶劑除油(丙酮)—陽(yáng)極電化學(xué)除油(1.5%NaOH,2.5%Na2CO3,2.5%Na3PO4·12H2O,0.4%Na2SiO3,3 A/dm2,50~70 ℃)—熱水洗—冷水洗—合金鋼活化(2%HCl)—冷水洗;試樣:4130, 100 mm×25 mm×1 mm(結(jié)合力試樣/鎳含量試樣),150 mm×100 mm×1mm(鹽霧試樣)。

        (2)銅合金:溶劑除油(丙酮)—化學(xué)除油(7%NaOH,4%Na2CO3,4%Na3PO4·12H2O ,2%Na2SiO3,75~95 ℃)—熱水洗—冷水洗—銅合金活化(5% H2SO4,2.5%HCl)—冷水洗;試樣:C11000, 100 mm×25 mm×1 mm(結(jié)合力試樣)。

        (3)不銹鋼:溶劑除油(丙酮)—陽(yáng)極電化學(xué)除油(1.5%NaOH,2.5%Na2CO3,2.5%Na3PO4·12H2O,0.4%Na2SiO3,3 A/dm2,50~70 ℃)—熱水洗—冷水洗—不銹鋼活化(8%HCl,38~42 ℃)—冷水洗—閃鍍鎳(275 g/L NiCl2,3%HCl,3 A/dm2)—冷水洗;試樣:304、15 - 5PH, 100 mm×25 mm×1 mm(結(jié)合力試樣)。

        (4)高強(qiáng)度鋼:溶劑除油(丙酮)—吹砂—化學(xué)除油(7%NaOH,4%Na2CO3,4%Na3PO4·12H2O ,2%Na2SiO3,75~95 ℃)—熱水洗—冷水洗;試樣:ASTM F519采用1a1型試樣(氫脆試樣)。

        3.2 鍍層的制備

        鍍鋅鎳[6.5~8.0 g/L Zn2+,0.7~1.5 g/L Ni2+,80~130 g/L NaOH,100~120 mL/L NZ - 71(配位劑,主要成分為羥乙基二乙烯三胺)];20~40 ℃,1~4 A/dm2,以鎳板為陽(yáng)極;鹽霧試樣鍍層厚度5.1~7.6 μm ,其余試樣鍍層厚度10~18 μm。

        3.3 后處理

        (1)合金鋼、銅合金、不銹鋼:冷水洗—活化(HCl,pH=3.0~3.5)—鈍化(70 g/L開(kāi)缸劑NZ - E,25 mL/L補(bǔ)加劑NZ - E,40~55 ℃,60 s)—冷水洗—溫水洗—冷風(fēng)吹干。

        (2)高強(qiáng)度鋼:冷水洗—除氫(190 ℃,23 h)—退鍍(NH4NO315%)—重新前處理—電鍍鋅鎳—活化(HCl,pH=3.0~3.5)—鈍化(70 g/L開(kāi)缸劑NZ - E,25 mL/L補(bǔ)加劑NZ - E,主要成分為鉻酸、硫酸、氯化鈉,40~55 ℃,60 s)—冷水洗—溫水洗—冷風(fēng)吹干—除氫(190 ℃,23 h)。

        3.4 鍍層性能測(cè)試

        (1)鍍層厚度 按ASTM B499“用磁性方法測(cè)量涂層厚度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法:磁性基體上非磁性鍍層”采用Mini Test 2100磁性測(cè)厚儀、按ASTM B487“用截面顯微鏡測(cè)量金屬和氧化物涂層厚度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”采用金相法測(cè)量鍍層厚度。

        (2)結(jié)合力 將試樣彎曲直到破裂,用10倍放大鏡檢查。鍍層應(yīng)無(wú)剝落、起泡等缺陷。

        (3)耐蝕性 按照ASTM B117“鹽霧試驗(yàn)”采用Q/FOG CCT1100型鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。96 h應(yīng)無(wú)白銹,750 h應(yīng)無(wú)紅銹。

        (4)鎳含量 按ASTM E1659“鋼鐵基體上鋅鎳合金電鍍層膜重及化學(xué)成分分析”采用TAS - 990 AGF型原子吸收分光光度計(jì)及LE104E型電子天平進(jìn)行鎳含量分析,鎳含量應(yīng)滿足6%~16%要求。

        (5)缺口拉棒試驗(yàn):按ASTM F519“電鍍涂覆工藝和應(yīng)用環(huán)境機(jī)械氫脆評(píng)定試驗(yàn)方法”采用UH - F1000KNI液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行氫脆試驗(yàn)。采用3根1a1型試樣在其最高載荷80%下進(jìn)行200 h拉伸試驗(yàn),有1根試樣斷裂或在10倍放大鏡下檢查出現(xiàn)裂紋即為不合格。

        (6)氫可滲透性試驗(yàn):參照ASTM F326“電鍍鎘工藝氫脆電子測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方法”采用勞倫斯測(cè)氫儀進(jìn)行鍍層氫可滲透性試驗(yàn),電鍍電流密度約2 A/dm2,電鍍時(shí)間900 s。

        4 結(jié)果與討論

        4.1 外觀與結(jié)合力

        目視檢查電鍍鋅鎳合金鍍層(厚10~18 μm)的4130鋼試樣,鍍層連續(xù)、光滑細(xì)致、均勻、無(wú)起泡、凹坑、結(jié)瘤、過(guò)燒等缺陷。未鈍化試樣呈銀白色,鈍化后試樣呈帶有紅綠色調(diào)的彩虹色。

        采用彎曲法對(duì)電鍍鋅鎳合金鍍層(厚10~18 μm)的4130鋼、C11000銅合金、304不銹鋼、15 - 5PH不銹鋼試樣進(jìn)行檢查,試樣斷口處無(wú)鍍層分離或脫落,無(wú)起泡等缺陷。

        4.2 耐蝕性

        在耐蝕性試驗(yàn)中選取相對(duì)較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鈍化膜及鍍層耐蝕性檢測(cè)。

        按ASTM B117對(duì)電鍍鋅鎳合金鍍層(厚度5.1~7.6 μm)并鈍化的試樣進(jìn)行96 h鹽霧試驗(yàn),鋅鎳鍍層表面僅出現(xiàn)少量條紋,鈍化膜顏色基本無(wú)變化,未出現(xiàn)白銹,表明鈍化膜仍起到良好的保護(hù)作用。

        按ASTM B117對(duì)電鍍鋅鎳合金鍍層(厚度10~18 μm)并鈍化的試樣進(jìn)行750 h鹽霧試驗(yàn),鋅鎳鍍層表面僅出現(xiàn)少量白銹,但未出現(xiàn)紅銹,表明鍍層仍起到了良好的保護(hù)作用。

        4.3 鎳含量

        按ASTM E1659溶解4130鋼上鍍層(厚度為10~18 μm),并稱重計(jì)算溶解前后質(zhì)量變化值,然后采用原子吸收分光光度法測(cè)定溶解液中鎳離子含量、鐵離子含量,通過(guò)計(jì)算得出鍍層鎳含量為10.77%~10.91%,符合6%~16%要求,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 鎳含量測(cè)量結(jié)果

        4.4 氫脆性能

        在氫脆性能試驗(yàn)中選取相對(duì)較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氫脆性能檢測(cè),以模擬在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的退鍍 - 重鍍狀態(tài)下零件的氫脆特性。

        采用ASTM F519 1a1型試樣電鍍-退鍍-除氫-電鍍-除氫,鍍鋅鎳層厚度10~18 μm,除氫溫度190 ℃,除氫時(shí)間23 h,電鍍與除氫時(shí)間間隔1 h。在其最高載荷80%下進(jìn)行200 h拉伸試驗(yàn)后,無(wú)試樣斷裂,在10倍放大鏡下檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋。

        4.5 氫可滲透性

        鍍鋅鎳工藝與低氫脆鍍鎘鈦工藝低氫脆機(jī)理基本相同[10,11],一方面鈦和鎳對(duì)氫有富集作用、減少了基體吸氫量;另一方面鍍層結(jié)構(gòu)都存在裂紋、利于除氫,因此評(píng)定鍍鋅鎳工藝氫脆性能時(shí)可參考氰化鍍鎘鈦工藝氫可滲透性標(biāo)準(zhǔn)(λ<140 s)。試驗(yàn)結(jié)果表明鍍鋅鎳工藝λ值為137.48 s,不低于氰化鍍鎘鈦工藝氫可滲透性標(biāo)準(zhǔn),詳見(jiàn)表4。

        表4 氫可滲透性試驗(yàn)結(jié)果

        5 結(jié) 論

        國(guó)內(nèi)普遍采用的NZ - 70系列鍍鋅鎳工藝可滿足波音、空客、龐巴迪及美國(guó)宇航材料規(guī)范對(duì)鍍鋅鎳工藝外觀、結(jié)合力、耐蝕性、鎳含量、氫脆性能的要求,其鍍層氫可滲透性不低于氰化鍍鎘鈦性能要求,可替代進(jìn)口溶液用于民用飛機(jī)高強(qiáng)度鋼零件表面防護(hù)。

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